JP3311004B2 - Solid-state imaging device - Google Patents

Solid-state imaging device

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JP3311004B2
JP3311004B2 JP01005492A JP1005492A JP3311004B2 JP 3311004 B2 JP3311004 B2 JP 3311004B2 JP 01005492 A JP01005492 A JP 01005492A JP 1005492 A JP1005492 A JP 1005492A JP 3311004 B2 JP3311004 B2 JP 3311004B2
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誠之 松長
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144Devices controlled by radiation
    • H01L27/146Imager structures
    • H01L27/148Charge coupled imagers
    • H01L27/14831Area CCD imagers

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、ビデオカメラや電子ス
チルカメラ等に使用される固体撮像装置に係わり、特に
光電変換部におけるリーク電流の低減をはかった固体撮
像装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a solid-state image pickup device used for a video camera, an electronic still camera or the like, and more particularly to a solid-state image pickup device for reducing a leak current in a photoelectric conversion section.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、画像を撮像するデバイスとして、
撮像管に代って各種の固体撮像装置が用いられている。
この種の固体撮像装置の従来例を、以下に簡単に説明す
る。
2. Description of the Related Art In recent years, as a device for capturing an image,
Various solid-state imaging devices are used in place of the imaging tube.
A conventional example of this type of solid-state imaging device will be briefly described below.

【0003】図18は、インターライン転送型CCDイ
メージセンサの単位画素の断面図である。n型半導体基
板1上にp型ウェル2を形成し、その内部にn型拡散層
を設け、フォトダイオード3,CCD埋込みチャネル4
としている。この素子では、入射光が光電変換され、得
られた電子はフォトダイオード3に一定時間蓄積された
後、転送電極5をONすることによりCCDチャネル4
に読出される。このとき、フォトダイオード3とp型ウ
ェル2との間は2〜10V逆バイアスされている。
FIG. 18 is a sectional view of a unit pixel of an interline transfer type CCD image sensor. A p-type well 2 is formed on an n-type semiconductor substrate 1 and an n-type diffusion layer is provided therein.
And In this device, incident light is subjected to photoelectric conversion, and the obtained electrons are accumulated in the photodiode 3 for a certain period of time, and then the transfer channel 5 is turned on so that the CCD channel 4 is turned on.
Is read out. At this time, a reverse bias of 2 to 10 V is applied between the photodiode 3 and the p-type well 2.

【0004】図19は、n+ pnバイポーラトランジス
タを用いた増幅型のイメージセンサの単位画素の断面図
である。n型半導体基板(コレクタ層)6上にp型ベー
ス層7を設け、その内部にn+ 型エミッタ層8を設けて
いる。この素子では、入射光は光電変換され、ホールと
してベース層7に蓄積される。読出すときは、まずライ
ン選択ゲート9に正電圧を印加し、しかるのちエミッタ
層8より増幅された電流を読出す。
FIG. 19 shows that n + FIG. 3 is a cross-sectional view of a unit pixel of an amplification type image sensor using a pn bipolar transistor. A p-type base layer 7 is provided on an n-type semiconductor substrate (collector layer) 6 and n + A mold emitter layer 8 is provided. In this device, incident light is photoelectrically converted and accumulated in the base layer 7 as holes. At the time of reading, first, a positive voltage is applied to the line selection gate 9, and then the current amplified from the emitter layer 8 is read.

【0005】図19の素子におけるポテンシャル分布の
様子を、図20に示す。2本の実線のうち、上側が伝導
帯を示し、下側が充満帯を表わしている。上の2本の実
線が信号を蓄積しているときのバンド図で、下の2本の
破線がアドレスされた画素のバンド図である。蓄積時に
おいてもアドレス時においても、p型ベース層7とn型
基板6には逆バイアスが掛かっている。特に、蓄積時に
はアドレス時よりも強い逆バイアスが掛かっている。
FIG. 20 shows a state of potential distribution in the device shown in FIG. Of the two solid lines, the upper side indicates the conduction band, and the lower side indicates the full band. The upper two solid lines are band diagrams when signals are stored, and the lower two broken lines are band diagrams of addressed pixels. The reverse bias is applied to the p-type base layer 7 and the n-type substrate 6 both at the time of accumulation and at the time of addressing. In particular, at the time of accumulation, a stronger reverse bias is applied than at the time of addressing.

【0006】ここで、pn接合の電圧−電流特性を図2
1に示す。n型層に正電圧を印加する方が逆バイアスで
ある。n型層に負電圧を印加すると順バイアスであるの
で、電流が流れる(A領域)。0.6V以上の正電圧を
印加すると、電流はほぼ飽和し一定となる(B領域)。
このB領域がこれまでの撮像装置の使用されていた領域
である。リーク電流(飽和電流)Id がいわゆる暗電流
であり、画素毎にばらつくため雑音となり、感度低下の
要因となっている。
Here, the voltage-current characteristics of the pn junction are shown in FIG.
It is shown in FIG. Applying a positive voltage to the n-type layer is a reverse bias. When a negative voltage is applied to the n-type layer, a current flows because of a forward bias (region A). When a positive voltage of 0.6 V or more is applied, the current is substantially saturated and becomes constant (region B).
The area B is an area in which the imaging apparatus has been used up to now. The leak current (saturation current) Id is a so-called dark current, which varies from pixel to pixel, resulting in noise and a reduction in sensitivity.

【0007】一方、0.6V以下の逆バイアスではリー
ク電流が小さくなり(C領域)、0Vでは当然リーク電
流も零となる。C領域で用いれば雑音を小さくできる
が、従来素子ではこの領域では動作しない。これは、図
20からも分かるように、ゲートをONして信号電荷を
読出す際に、コレクタ層のポテンシャルが十分高くない
と、エミッタ側に読出すべき信号電荷がコクレタ側にも
流れるためである。
On the other hand, when the reverse bias is 0.6 V or less, the leak current decreases (C region), and when the reverse bias is 0 V, the leak current naturally becomes zero. Although noise can be reduced if used in the C region, conventional devices do not operate in this region. This is because, as can be seen from FIG. 20, when the signal charge is read by turning on the gate, if the potential of the collector layer is not sufficiently high, the signal charge to be read to the emitter side also flows to the collector side. is there.

【0008】ここで、図18,19の構造共に、光電変
換蓄積部には2V以上の逆バイアスが掛かっている。そ
のため、逆方向電流が流れ、そのバラツキが雑音とな
り、高感度の固体撮像装置を実現することは困難であっ
た。
Here, in both of the structures shown in FIGS. 18 and 19, a reverse bias of 2 V or more is applied to the photoelectric conversion storage section. For this reason, a reverse current flows, and the variation becomes noise, and it has been difficult to realize a solid-state imaging device with high sensitivity.

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】このように、従来の固
体撮像装置においては、光電変換部に2V以上の逆バイ
アスを印加する必要があり、これが暗電流を増やし感度
を低下させる要因となっていた。
As described above, in the conventional solid-state imaging device, it is necessary to apply a reverse bias of 2 V or more to the photoelectric conversion unit, which is a factor that increases the dark current and lowers the sensitivity. Was.

【0010】本発明は、上記事情を考慮してなされたも
ので、その目的とするところは、光電変換部に印加する
逆バイアス電圧を小さくすることができ、暗電流の低減
及び感度の向上をはかり得る固体撮像装置を提供するこ
とにある。
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to reduce a reverse bias voltage applied to a photoelectric conversion unit, to reduce dark current and improve sensitivity. An object of the present invention is to provide a solid-state imaging device that can be measured.

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】本発明の骨子は、受光蓄
積部をバイポーラトランジスタで構成し、このバイポー
ラトランジスタのコレクタ電位を制御して信号の読出し
を行うことにある。
The gist of the present invention resides in that the light receiving / accumulating portion is constituted by a bipolar transistor, and a signal is read out by controlling the collector potential of the bipolar transistor .

【0012】即ち本発明は、半導体基板上に、X,Y方
向に2次元状に配列された受光蓄積部と、これらの受光
蓄積部のX方向アドレスを選択するX方向アドレス回路
と、該受光蓄積部のY方向アドレスを選択するY方向ア
ドレス回路とを設けてなる固体撮像装置において、受光
蓄積部を、基板の表面部に設けられた基板と逆導電型の
コレクタ層と、このコレクタ層の内側表面部に設けられ
た基板と同導電型のベース層と、このベース層の内側表
面部に設けられた基板と逆導電型のエミッタ層とからな
るフォトトランジスタで形成し、かつ該受光蓄積部にお
けるベース層とコレクタ層との間に印加する逆バイアス
電圧を、受光蓄積期間において0.6V以下に設定し、
X方向アドレス回路をエミッタ層に接続し、Y方向アド
レス回路をコレクタ層に接続したことを特徴とする。
That is, according to the present invention, there is provided a light receiving and accumulating section arranged two-dimensionally in the X and Y directions on a semiconductor substrate, an X direction address circuit for selecting an X direction address of these light receiving and accumulating sections, In a solid-state imaging device including a Y-direction address circuit for selecting a Y-direction address of a storage unit, a light-receiving storage unit includes a collector layer of a conductivity type opposite to that of a substrate provided on a surface portion of the substrate, and a collector layer of the collector layer. the substrate and the same conductivity type base layer provided on the inside surface portion, formed by phototransistors consisting of the base layer substrate and the opposite conductivity type emitter layer provided on the inner surface of, and the light receiving storage portion In
Bias applied between base layer and collector layer
The voltage is set to 0.6 V or less during the light receiving accumulation period,
An X-direction address circuit is connected to the emitter layer, and a Y-direction address circuit is connected to the collector layer.

【0013】[0013]

【0014】さらに、本発明の望ましい実施態様として
は、次のものかあげられる。 (1) 第1の垂直CCDを、埋込みCCDチャネルとその
上の転送電極で形成し、信号電荷の積分蓄積時に第1の
垂直CCDの全ての転送電極下のゲート絶縁膜と半導体
基板表面との界面に信号電荷と逆導電型の可動電荷を蓄
積させること。 (2) 光電変換部の側部又は下部にドレインを設け、第1
の垂直CCDが信号電荷の積分蓄積を行っている期間は
信号電荷を排出せず、第1の垂直CCDから第2の垂直
CCDへ信号電荷を転送している期間は、光電変換部で
得られた信号電荷の全部又は一部をドレインに排出する
こと。 (3) 光電変換部を構成する不純物拡散層に電気的に結合
された引出し電極と、引出し電極の上部に光電変換を行
う光電変換膜と、光電変換膜の上部に電圧を印加するが
入射光を透過する透明電極とを設けたこと。 (4) (3) の構成に加え、第1の垂直CCDが信号電荷を
積分蓄積している期間と第2の垂直CCDが信号電荷を
転送している期間とで、透明電極に異なる電圧を印加す
ること。
Further, preferred embodiments of the present invention include the following. (1) A first vertical CCD is formed by a buried CCD channel and a transfer electrode thereabove, and a gate insulating film under all transfer electrodes of the first vertical CCD and a semiconductor substrate surface during integration and accumulation of signal charges. Accumulation of mobile charges of the opposite conductivity type to signal charges at the interface. (2) A drain is provided on the side or lower part of the photoelectric conversion
The signal charge is not discharged during the period when the vertical CCDs are integrating and accumulating the signal charges, and during the period when the signal charges are being transferred from the first vertical CCD to the second vertical CCD, they are obtained by the photoelectric conversion unit. Discharging all or part of the signal charge to the drain. (3) An extraction electrode electrically coupled to the impurity diffusion layer that constitutes the photoelectric conversion unit, a photoelectric conversion film that performs photoelectric conversion on the extraction electrode, and a voltage applied to the upper part of the photoelectric conversion film. And a transparent electrode that transmits light. (4) In addition to the configuration of (3), different voltages are applied to the transparent electrodes during a period when the first vertical CCD is integrating and accumulating signal charges and during a period when the second vertical CCD is transferring signal charges. Apply.

【0015】[0015]

【作用】本発明によれば、ベース層とコクレタ層との間
に逆バイアスを掛けた状態で、光電変換して得られたホ
ールをベース層に蓄積する。そして、コレクタ層の電位
をさらに高くして逆バイアスを大きくすることにより、
エミッタ層から信号を読出すことができる。即ち、信号
読出し時には蓄積時よりも大きな逆バイアスを与えて信
号を読出すことになる。この場合、蓄積状態における逆
バイアスは従来のように大きくする必要はない。そし
て、蓄積状態における逆バイアスを0.6V以下に設定
すると、暗電流が少なくなり、雑音も小さくなるばかり
か高感度化が可能となる。
According to the present invention, holes obtained by photoelectric conversion are accumulated in the base layer while a reverse bias is applied between the base layer and the core layer. By further increasing the potential of the collector layer and increasing the reverse bias,
A signal can be read from the emitter layer. That is, at the time of signal reading, a signal is read by applying a larger reverse bias than at the time of accumulation. In this case, the reverse bias in the accumulation state does not need to be increased unlike the conventional case . Soshi
The reverse bias in the accumulation state to 0.6V or less
Then , not only the dark current is reduced and the noise is reduced, but also the sensitivity can be increased.

【0016】なお、コレクタ層の電位を変えて信号読出
しを行えるのは、従来のように基板自体でコレクタ層を
形成してコレクタ層を各画素で共通にするのではなく、
コレクタ層を基板とは電気的に分離しているからであ
る。
The reason why the signal can be read out by changing the potential of the collector layer is that the collector layer is not formed by the substrate itself and the collector layer is made common to all pixels as in the related art.
This is because the collector layer is electrically separated from the substrate.

【0017】[0017]

【0018】[0018]

【実施例】以下、本発明の詳細を図示の実施例によって
説明する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The details of the present invention will be described below with reference to the illustrated embodiments.

【0019】図1は、本発明の第1の実施例に係わる固
体撮像装置の一画素構成を示す断面図である。p型半導
体基板10上に、n型コレクタ層11,p+ 型ベース層
12及びn+ 型エミッタ層13を順次形成して、フォト
トランジスタ(バイポーラトランジスタ)を構成する。
そして、信号読出し線32をエミッタ層13に、アドレ
ス線31をコレクタ層11に接続する。これを2次元状
に配列し、エリアセンサとして構成したものを図2に示
す。
FIG. 1 is a sectional view showing one pixel configuration of a solid-state imaging device according to a first embodiment of the present invention. On a p-type semiconductor substrate 10, an n-type collector layer 11, p + Mold base layer 12 and n + The mold emitter layers 13 are sequentially formed to form a phototransistor (bipolar transistor).
Then, the signal readout line 32 is connected to the emitter layer 13, and the address line 31 is connected to the collector layer 11. FIG. 2 shows a two-dimensional array of these sensors, which is configured as an area sensor.

【0020】図2において、画素は4×4となっている
が、これは説明を簡略化するためであり、X方向及びY
方向の画素の数は適宜変更可能である。一般には、ビデ
オカメラ等では数十万画素を形成する。
In FIG. 2, the size of the pixel is 4 × 4, but this is for the sake of simplicity.
The number of pixels in the direction can be changed as appropriate. Generally, a video camera or the like forms hundreds of thousands of pixels.

【0021】Y方向アドレス回路21から出るアドレス
線31(31-1〜31-4)は、n型コレクタ層11に結線さ
れている。n+ 型エミッタ層13に結線された信号読出
し線32(32-1〜32-4)は、MOS型の読出しトランジ
スタ23(23-1〜23-4)を介して出力線33(33-1〜33
-4)に接続されている。読出しトランジスタ23のゲー
トは、X方向アドレス回路22にて制御される。なお、
この読出しトランジスタ23をバイポーラで構成するこ
とも可能である。次に、上記構成された装置における蓄
積時及び読出し時の動作について説明する。
The address lines 31 (31-1 to 31-4) coming out of the Y-direction address circuit 21 are connected to the n-type collector layer 11. n + The signal read lines 32 (32-1 to 32-4) connected to the type emitter layer 13 are output to the output lines 33 (33-1 to 33-3) via the MOS read transistors 23 (23-1 to 23-4).
-4) is connected. The gate of the read transistor 23 is controlled by the X-direction address circuit 22. In addition,
It is also possible to configure the read transistor 23 as bipolar. Next, the operation at the time of accumulation and at the time of reading in the device configured as described above will be described.

【0022】まず、蓄積時にはベース層12とコレクタ
層11との間に逆バイアスを印加しておく。この場合、
従来装置と同様に、光電変換して得られるホールがベー
ス層12に蓄積されることになる。
First, a reverse bias is applied between the base layer 12 and the collector layer 11 during accumulation. in this case,
As in the conventional device, holes obtained by photoelectric conversion are accumulated in the base layer 12.

【0023】信号読出し時には、Y方向アドレス回路2
1からアドレス線31−1に高レベル電圧を、他のアド
レス線31−2,31−3,31−4に低レベル電圧を
供給し、第1ラインの画素系の信号を読出すためにアド
レスする。次いで、この状態でX方向アドレス回路22
から、読出しパルスを読出しトランジスタ23−1,2
3−2,23−3,23−4の各ゲートに、それぞれ
“高,低,低,低”、“低,高,低,低”、“低,低,
高,低”、“低,低,低,高”の電圧を順次印加し、第
1ラインの左方の画素より信号を順次読出したのち、信
号読出し線23−1,23−2,23−3,23−4を
通り信号出力線33から読出す。
At the time of signal reading, the Y-direction address circuit 2
1 supplies a high-level voltage to the address line 31-1 and a low-level voltage to the other address lines 31-2, 31-3, and 31-4 to read out pixel-system signals on the first line. I do. Then, in this state, the X-direction address circuit 22
, A read pulse is read from transistors 23-1 and 23-2.
3-2, 23-3, and 23-4 have “high, low, low, low”, “low, high, low, low”, “low, low,
After sequentially applying voltages of “high, low” and “low, low, low, high” to sequentially read signals from the left pixel of the first line, the signal read lines 23-1, 23-2, 23- The signal is read from the signal output line 33 through 3, 23-4.

【0024】次いで、Y方向アドレス回路21からアド
レス線31−1,31−2,31−3,31−4に
“低,高,低,低”の電圧を印加し、X方向の読出しを
前述したように行うことにより、第2ラインの信号読出
しを行う。同様に、アドレス線31に“低,低,高,
低”を印加して第3ラインを読出し、さらにアドレス線
31に“低,低,低,高”を印加して第4ラインを読出
す。こうすることにより、全ての画素の信号を読出す。
Next, a "low, high, low, low" voltage is applied from the Y-direction address circuit 21 to the address lines 31-1, 31-2, 31-3, 31-4, and reading in the X direction is performed as described above. As described above, the signal of the second line is read. Similarly, "low, low, high,
"Low" is applied to read out the third line, and "Low, low, low, high" is applied to the address line 31 to read out the fourth line, whereby signals of all pixels are read out. .

【0025】図3は、信号蓄積時と信号読出し時のバン
ド図を示す。実線が信号蓄積時を、破線が信号読出し時
を示す。入射光は光電変換され、p+ 型ベース層12に
ホールとして蓄えられる。信号蓄積状態では、p+ 型ベ
ース層12とn型コレクタ層11との間を0.6V以下
の逆バイアスに設定する。コレクタ層11を高レベルに
し、エミッタ層13からベース層12を通して電子を流
すことにより、信号を読出す(破線)。このとき、ベー
ス層12のホールは電子と再結合し、リセット状態とな
る。
FIG. 3 is a circuit diagram showing a signal storage and a signal readout.
FIG. The solid line indicates signal accumulation and the broken line indicates signal readout.
Is shown. The incident light is photoelectrically converted and p+ For the mold base layer 12
Stored as a hall. In the signal accumulation state, p+ Type
0.6 V or less between the source layer 12 and the n-type collector layer 11
Set to reverse bias. High level of collector layer 11
Then, electrons flow from the emitter layer 13 through the base layer 12.
As a result, a signal is read (broken line). At this time,
The holes in the source layer 12 recombine with the electrons and enter a reset state.
You.

【0026】このように本実施例では、光電変換蓄積部
となるフォトトランジスタのコレクタ層11を基板10
とは逆導電型として各画素で分離しているので、コレク
タ層11に与える電圧により各画素から順次信号の読出
しを行うことができる。そしてこの場合、信号読出し時
には信号蓄積時よりも高い電圧をコレクタ層11に与え
るので、信号蓄積時のベース層12とコレクタ層11と
の逆バイアス電圧は信号読み出し時のそれよりも低いも
のとなる。そして、逆バイアス電圧を0.6V以下に設
すると、暗電流Id を小さくでき、雑音が少なくなる
ため、感度の高いセンサが構成できる。また、本装置は
順バイアス状態で用いることも可能であり、この場合に
は強い光に対して出力を抑えることができるので、ダイ
ナミックレンジの広いセンサを実現することができる。
As described above, in this embodiment, the collector layer 11 of the phototransistor serving as the photoelectric conversion storage section is
Therefore, signals can be sequentially read from each pixel by the voltage applied to the collector layer 11 because the pixels are separated from each other as a conductivity type opposite to that of the first embodiment. In this case, a higher voltage is applied to the collector layer 11 at the time of signal reading than at the time of signal accumulation, so that the reverse bias voltage between the base layer 12 and the collector layer 11 at the time of signal accumulation is lower than that at the time of signal reading.
It becomes When the reverse bias voltage is set to 0.6 V or less , the dark current Id can be reduced and the noise is reduced, so that a highly sensitive sensor can be configured. Further, the present device can be used in a forward bias state. In this case, the output can be suppressed with respect to strong light, so that a sensor having a wide dynamic range can be realized.

【0027】図4は本発明の第1の参考例の一画素構成
を示す断面図、図5はその等価回路図である。この参考
は、基本的には2つのバイポーラトランジスタQ1,
Q2から構成されている。なお、以下に説明することは
n型とp型を入れ替えたデバイスでも可能なことは勿論
である。
FIG. 4 is a sectional view showing one pixel configuration of the first embodiment of the present invention, and FIG. 5 is an equivalent circuit diagram thereof. This reference
The example basically consists of two bipolar transistors Q1,
Q2. Note that it is needless to say that the following description is also possible with a device in which the n-type and the p-type are exchanged.

【0028】n型基板40の表面層の一部にトランジス
タQ2のn+ 型エミッタ層41が埋込み形成され、これ
らの上にn型エピタキシャル成長層42が形成されてい
る。n型エピタキシャル成長層42の表面には、光シー
ルド層46の開口部を通り入射した光を光電変換し蓄積
するトランジスタQ1のp型エミッタ層43と、Q2の
p型ベース層44が形成されている。p型ベース層44
の内部にはQ2のn型コレクタ層45が形成されてい
る。ここで、n型エピタキシャル成長層42はQ1のn
型ベース層となり、Q2のp型ベース層44はQ1のp
型コレクタ層になっている。
Transistors are formed on a part of the surface layer of the n-type substrate 40.
N of Q2+ The emitter layer 41 is buried and formed.
N-type epitaxial growth layer 42 is formed on
You. An optical seed is provided on the surface of the n-type epitaxial growth layer 42.
Light incident through the opening of the shield layer 46 is photoelectrically converted and stored.
And the p-type emitter layer 43 of the transistor Q1
A p-type base layer 44 is formed. p-type base layer 44
Is formed with an n-type collector layer 45 of Q2.
You. Here, the n-type epitaxial growth layer 42
And the p-type base layer 44 of Q2 is the p-type base layer of Q1.
It is a mold collector layer.

【0029】Q1のn型ベース層となるn型エピタキシ
ャル層42にアドレス線31より読出しパルスを印加す
ると、Q1のp型エミッタ層43からQ2のベース層4
4に信号電流が流れる。それと同時に、Q2のn型エミ
ッタ層41よりQ2で増幅された信号電流がn型コレク
タ層45に流れ、信号線32より読出される。
When a read pulse is applied from the address line 31 to the n-type epitaxial layer 42 serving as the n-type base layer of Q1, the p-type emitter layer 43 of Q1 moves from the base layer 4 of Q2.
4, a signal current flows. At the same time, the signal current amplified by Q2 from the n-type emitter layer 41 of Q2 flows to the n-type collector layer 45, and is read from the signal line 32.

【0030】図6は、本発明の第2の参考例の一画素構
成を示す断面図である。この参考例は、図4のQ2のp
型ベース層44でQ1のp型エミッタ層43を取り囲ん
だもので、その間のn型層48をQ1のベース層として
いる。その等価回路図を、図7に示す。図5との違い
は、Q1のベースとQ2のエミッタが分離されており、
Q1,Q2が独立にバイアスできることである。
FIG. 6 is a sectional view showing one pixel configuration of the second embodiment of the present invention. This reference example corresponds to p2 of Q2 in FIG.
The base layer 44 surrounds the p-type emitter layer 43 of Q1, and the n-type layer 48 therebetween is the base layer of Q1. FIG. 7 shows an equivalent circuit diagram thereof. The difference from FIG. 5 is that the base of Q1 and the emitter of Q2 are separated,
Q1 and Q2 can be independently biased.

【0031】図8は、本発明の第3の参考例の一画素構
成を示す断面図である。この参考例では、アドレス線3
1とQ2のベース層44間に結合ゲート49を設け、ア
ドレス時にQ1のn型ベース層となる42とQ1のp型
コレクタ層となる44の間に逆バイアスが印加されるよ
うにしている。また、素子分離n+ 層51とアドレス線
31とQ1のベース層とのコンタクトのためのn+ 型コ
ンタクト層52が設けられている。
FIG. 8 is a sectional view showing one pixel configuration of the third embodiment of the present invention. In this reference example , the address line 3
A coupling gate 49 is provided between the base layers 1 and Q2 so that a reverse bias is applied between the n-type base layer 42 of Q1 and the p-type collector layer 44 of Q1 during addressing. Further, an n + type contact layer 52 for contact between the element isolation n + layer 51, the address line 31 and the base layer of Q1 is provided.

【0032】図9は、本発明の第4の参考例の一画素構
成を示す断面図である。この参考例は、図4のQ1のp
型エミッタ層43の上部にn+ シールド層53を設け、
Si−SiO2 界面で不要電荷の発生を抑えている。
FIG. 9 is a sectional view showing a pixel structure of a fourth embodiment of the present invention. This reference example corresponds to p1 of Q1 in FIG.
An n + shield layer 53 is provided on the upper part of the
Generation of unnecessary charges is suppressed at the Si-SiO 2 interface.

【0033】図10(a)は、本発明の第5の参考例
係わる固体撮像装置の要部構成を示す断面図である。n
型Si基板60上にpウェル61が形成され、このpウ
ェル61の表面層に第1のn型拡散層(光電変換部)6
2,第2のn型拡散層63、垂直CCDのn型埋込みチ
ャネル64が形成されている。そして、埋込みチャネル
64上には転送電極65が形成されている。また、埋込
みチャネル64の下部には、縦型オーバーフロードレイ
ン構造66が形成されている。
FIG. 10A is a cross-sectional view showing a main configuration of a solid-state imaging device according to a fifth embodiment of the present invention. n
A p-well 61 is formed on a p-type Si substrate 60, and a first n-type diffusion layer (photoelectric conversion unit) 6 is formed on a surface layer of the p-well 61.
2, a second n-type diffusion layer 63 and an n-type buried channel 64 of a vertical CCD are formed. Then, a transfer electrode 65 is formed on the buried channel 64. A vertical overflow drain structure 66 is formed below the buried channel 64.

【0034】このような構成であれば、光電変換を行う
フォトダイオードに対応する第1の拡散層62は垂直C
CDの埋込みチャネル64と第2の拡散層63を介して
電気的に結合しており、図10(b)のポテンシャル図
に示すように、第1の拡散層62で光電変換された信号
電荷はそこに蓄積されずに第2の拡散層63を通り垂直
CCDの埋込みチャネル64内に移送され、そこで蓄積
される。
With such a configuration, the first diffusion layer 62 corresponding to the photodiode for performing the photoelectric conversion has the vertical C
The buried channel 64 of the CD is electrically coupled via the second diffusion layer 63, and as shown in the potential diagram of FIG. 10B, the signal charge photoelectrically converted by the first diffusion layer 62 is It is transported through the second diffusion layer 63 without being stored therein into the buried channel 64 of the vertical CCD, where it is stored.

【0035】そしてこの場合、第1の拡散層62内に信
号電荷を蓄積しないため、その逆バイアス電圧67を非
常に小さく設定することが可能であり、そのリーク電流
を小さくすることができる。また、強い入射光による過
剰電荷は垂直CCDの下部に設けられた縦型オーバーフ
ロードレイン構造66で基板60に排出される。本参考
では、転送電極65を通して垂直CCDの埋込みチャ
ネル64で直接光電変換される電荷も利用可能であり、
光シールド電極はなくても構わない。
In this case, since no signal charges are accumulated in the first diffusion layer 62, the reverse bias voltage 67 can be set very small, and the leakage current can be reduced. Excess charges due to strong incident light are discharged to the substrate 60 by a vertical overflow drain structure 66 provided below the vertical CCD. This reference
In the example , a charge that is directly photoelectrically converted in the buried channel 64 of the vertical CCD through the transfer electrode 65 is also available,
The light shield electrode need not be provided.

【0036】なお、上記の構造では、垂直CCDの埋込
みチャネル64のリーク電流も雑音になるため、これを
低減する必要がある。図11(a)は転送電極65に印
加される電圧と埋込みチャネル64に発生するリーク電
流との関係を示したものである。VG'以下の印加電圧で
リーク電流Id が激減する。図11(b)は埋込みチャ
ネル64の基板深さ方向のポテンシャルを示したもので
ある。通常のゲート電圧を印加したポテンシャル68で
はSiO2 /Si界面69より発生するリーク電流が支
配的である。ゲート電圧を負にし、VG'以下にしたポテ
ンシャル70ではSiO2 /Si界面が0Vになり、そ
こにホールが蓄積される。この状態では界面でのリーク
電流が抑圧され、リーク電流が激減する。垂直CCDを
この状態にして蓄積を行うと、第1の拡散層62と垂直
CCDの埋込みチャネル64で発生するリーク電流は両
方とも抑圧される。
In the above structure, since the leakage current of the buried channel 64 of the vertical CCD also becomes noise, it is necessary to reduce this. FIG. 11A shows the relationship between the voltage applied to the transfer electrode 65 and the leakage current generated in the buried channel 64. The leak current Id is drastically reduced at an applied voltage lower than VG '. FIG. 11B shows the potential of the buried channel 64 in the depth direction of the substrate. In a potential 68 to which a normal gate voltage is applied, a leakage current generated from an SiO 2 / Si interface 69 is dominant. The gate voltage negative, VG 'potential 70 in SiO 2 / Si interface and below becomes to 0V, and there is the hole are accumulated. In this state, the leakage current at the interface is suppressed, and the leakage current is drastically reduced. When accumulation is performed with the vertical CCD in this state, both the first diffusion layer 62 and the leakage current generated in the buried channel 64 of the vertical CCD are suppressed.

【0037】このように垂直CCDで信号電荷を蓄積す
ると、蓄積期間中に信号の転送が行えない。そこで、図
12に示すように、第2の垂直CCDを持った構成が適
切である。具体的には本参考例の固体撮像装置は、半導
体基板上にX,Y方向に2次元状に配列された光電変換
部71と、光電変換部71に電気的に結合され、光電変
換部71で得られた信号電荷を積分蓄積すると共に垂直
方向に転送する第1の垂直CCD72と、第1の垂直C
CD72に電気的に結合され、第1の垂直CCD72か
らの信号電荷を垂直方向に転送する第2の垂直CCD7
3と、第2の垂直CCD73に電気的に結合され、第2
の垂直CCD73からの信号電荷を水平方向に転送する
水平CCD74と、水平CCD74から信号電荷を出力
する出力アンプ75から構成されている。
When signal charges are accumulated in the vertical CCD as described above, signal transfer cannot be performed during the accumulation period. Therefore, a configuration having a second vertical CCD as shown in FIG. 12 is appropriate. Specifically, the solid-state imaging device according to the present reference example includes a photoelectric conversion unit 71 arranged two-dimensionally in the X and Y directions on a semiconductor substrate, and is electrically coupled to the photoelectric conversion unit 71. A first vertical CCD 72 that integrates and accumulates the signal charges obtained in step (a) and transfers the signal charges in the vertical direction.
A second vertical CCD 7 electrically coupled to the CD 72 and vertically transferring signal charges from the first vertical CCD 72;
3 and electrically connected to the second vertical CCD 73,
The horizontal CCD 74 transfers the signal charges from the vertical CCD 73 in the horizontal direction, and the output amplifier 75 outputs the signal charges from the horizontal CCD 74.

【0038】ここで、本参考例の特徴とする点は、前述
した図10の構成を採用することによって、光電変換部
71で信号電荷の蓄積を行うのではなく、第1の垂直C
CD72で信号電荷の蓄積を行うことである。
Here, the feature of this embodiment is that, by adopting the configuration of FIG. 10 described above, instead of accumulating signal charges in the photoelectric conversion unit 71, the first vertical C
That is, accumulation of signal charges is performed by the CD 72.

【0039】上記装置の動作を、図13のタイミングチ
ャートで説明する。(a)はテレビ規格のコンポジット
ブランキングパルスである垂直帰線期間81と水平帰線
期間82からなる。(b)は第1の垂直CCD72の転
送パルスで、信号電荷を蓄積する期間83は低レベルの
DC電圧を印加し、垂直帰線期間内で第2の垂直CCD
73に転送のための高速パルス84を印加する。(c)
は第2の垂直CCD73に印加するパルスで、第1の垂
直CCD72から信号電荷を受け取る高速転送パルス8
5と水平期間内に1ライン毎水平CCD74に転送する
ラインシフトパルス86からなる。
The operation of the above device will be described with reference to the timing chart of FIG. (A) includes a vertical blanking period 81 and a horizontal blanking period 82, which are composite blanking pulses according to the television standard. (B) is a transfer pulse of the first vertical CCD 72. During a period 83 for accumulating signal charges, a low-level DC voltage is applied, and during the vertical blanking period, a second vertical CCD 72 is applied.
A high-speed pulse 84 for transfer is applied to 73. (C)
Is a pulse applied to the second vertical CCD 73, and is a high-speed transfer pulse 8 for receiving signal charges from the first vertical CCD 72.
5 and a line shift pulse 86 which is transferred to the horizontal CCD 74 line by line during the horizontal period.

【0040】以上の構成で基本的には動作するが、この
CCDイメージセンサはフレーム転送型であり、高速転
送パルス発生期間にも感度があるため、明るい被写体の
上下に帯状の雑音(スミア)が発生する可能性がある。
これを抑えるための参考例を次に示す。
Although the above configuration basically operates, the CCD image sensor is of a frame transfer type and has sensitivity even during a high-speed transfer pulse generation period, so that band-like noise (smear) is formed above and below a bright subject. Can occur.
The following is a reference example for suppressing this.

【0041】図14は、本発明の第6の参考例の要部構
成を示す断面図である。なお、図10と同一部分には同
一符号を付して、その詳しい説明は省略する。この参考
では前述した図10の構成に加えて、第1の拡散層6
2の下部にも垂直オーバーフロードレイン構造76を設
けている。基板60の電圧を制御し高速転送期間中に第
1の拡散層62に発生する電荷を基板60に排出するこ
とにより、信号蓄積期間に比べ高速転送期間の感度を落
とし、スミアを改善することができる。
FIG. 14 is a sectional view showing a main part of a sixth embodiment of the present invention. The same parts as those in FIG. 10 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted. This reference
In the example , in addition to the configuration of FIG.
2, a vertical overflow drain structure 76 is also provided. By controlling the voltage of the substrate 60 and discharging the charges generated in the first diffusion layer 62 during the high-speed transfer period to the substrate 60, the sensitivity in the high-speed transfer period can be reduced as compared with the signal accumulation period, and the smear can be improved. it can.

【0042】本参考例における駆動パルスの一例を図1
5に示す。(a)(b)(c)は図13と全く同様で、
(d)は基板60に印加するパルスである。このパルス
87は、高速転送期間中の感度抑圧パルスである。
[0042] One example of a drive pulse in the present embodiment FIG. 1
It is shown in FIG. (A), (b) and (c) are completely the same as FIG.
(D) is a pulse applied to the substrate 60. This pulse 87 is a sensitivity suppression pulse during the high-speed transfer period.

【0043】次に、図14の構成を積層型イメージセン
サに応用した第7の参考例について説明する。図14の
構成において、上部に光電変換膜を形成して積層型イメ
ージセンサに応用したものの単位画素の断面図を図1
6,図17に示す。
Next, a seventh reference example in which the configuration of FIG. 14 is applied to a stacked image sensor will be described. FIG. 1 is a cross-sectional view of a unit pixel of a configuration of FIG. 14 in which a photoelectric conversion film is formed on an upper portion and applied to a stacked image sensor.
6, shown in FIG.

【0044】図16は、図14の構造の上に絶縁膜91
を形成すると共に、第1の拡散層62に電気的に結合し
た引出し電極92を形成し、その上部にアモルファスシ
リコン,アモルファスセレン等を用いた光電変換膜93
及びITO等の透明電極94を形成したものである。
FIG. 16 shows an insulating film 91 on the structure of FIG.
And an extraction electrode 92 electrically connected to the first diffusion layer 62, and a photoelectric conversion film 93 made of amorphous silicon, amorphous selenium, or the like is formed thereon.
And a transparent electrode 94 of ITO or the like.

【0045】図17は、第2の拡散層63がなく、第1
の拡散層62と垂直CCDの埋込みチャネル64との間
に転送電極65がない構造である。第1の拡散層62を
0V又は若干順バイアスすることにより、第1の拡散層
62内の信号電荷をp型ウェル61内に放出し、埋込み
チャネル64内に拡散移送することにより、第1の拡散
層62と埋込みチャネル64とを電気的に結合してい
る。なお、95はp型ウェル61内に放出された電荷の
一部が基板60に流れ込むのを防ぐための拡散阻止層で
ある。
FIG. 17 shows a case where the second diffusion layer 63 is not provided and the first diffusion layer 63 is provided.
Of the vertical CCD has no transfer electrode 65 between the diffusion layer 62 and the buried channel 64 of the vertical CCD. The signal charges in the first diffusion layer 62 are released into the p-type well 61 by diffusing and transporting the signal charges in the first diffusion layer 62 into the buried channel 64 by biasing the first diffusion layer 62 to 0 V or slightly forward. Diffusion layer 62 and buried channel 64 are electrically coupled. Reference numeral 95 denotes a diffusion blocking layer for preventing a part of the charges discharged into the p-type well 61 from flowing into the substrate 60.

【0046】この構造において、スミアを抑圧するため
に高速転送期間に信号電荷が第1の拡散層62から埋込
みチャネル層64に流出しないようにするには、透明電
極94に正の電圧を印加し第1の拡散層62を逆バイア
スにすればよい。そのタイミングチャートは図15と全
く同じであり、(d)に示すパルス87が透明電極94
に印加するパルスである。即ち、信号蓄積期間は第1の
拡散層62と埋込みチャネル64を電気的に結合し、高
速移送期間においては埋込みチャネル64と第1の拡散
層62を電気的に分離する。
In this structure, to prevent signal charges from flowing out of the first diffusion layer 62 to the buried channel layer 64 during the high-speed transfer period in order to suppress smear, a positive voltage is applied to the transparent electrode 94. What is necessary is just to make the 1st diffusion layer 62 reverse bias. The timing chart is exactly the same as that of FIG. 15, and the pulse 87 shown in FIG.
Is a pulse applied to. That is, the first diffusion layer 62 and the buried channel 64 are electrically coupled during the signal accumulation period, and the buried channel 64 and the first diffusion layer 62 are electrically separated during the high-speed transfer period.

【0047】この場合においても、第1の拡散層62の
バイアス電圧を0V付近に設定することにより、リーク
電流を低減することができ、暗電流による雑音の減少及
び感度の向上をはかることが可能となる。なお、本発明
は上述した各実施例に限定されるものではなく、その要
旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することがで
きる。
Also in this case, by setting the bias voltage of the first diffusion layer 62 at about 0 V, the leak current can be reduced, and the noise due to the dark current and the sensitivity can be improved. Becomes Note that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and can be implemented with various modifications without departing from the scope of the invention.

【0048】[0048]

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、受
光蓄積部を構成するバイポーラトランジスタのコレクタ
を基板とは電気的に分離して形成し、コレクタ電位を制
御して信号の読出しを行うようにしているので、光電変
換蓄積部に印加する逆バイアスを小さくすることがで
き、暗電流の低減をはかり高感度化を達成することが可
能となる。
As described above in detail , according to the present invention, the collector of the bipolar transistor constituting the light receiving / accumulating portion is formed electrically separated from the substrate, and the signal is read out by controlling the collector potential. Since it is performed, the reverse bias applied to the photoelectric conversion storage unit can be reduced, and the dark current can be reduced to achieve higher sensitivity.

【0049】[0049]

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の第1の実施例に係わる固体撮像装置の
一画素構成を示す断面図、
FIG. 1 is a cross-sectional view showing one pixel configuration of a solid-state imaging device according to a first embodiment of the present invention;

【図2】第1の実施例における画素を2次元配列した例
を示す図、
FIG. 2 is a diagram showing an example in which pixels in the first embodiment are two-dimensionally arranged.

【図3】信号蓄積時と信号読出し時のエネルギー状態を
示すバンド図、
FIG. 3 is a band diagram showing energy states at the time of signal accumulation and at the time of signal reading;

【図4】本発明の第1の参考例の一画素構成を示す断面
図、
FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating one pixel configuration of the first reference example of the present invention;

【図5】第1の参考例の等価回路図、FIG. 5 is an equivalent circuit diagram of the first reference example ,

【図6】本発明の第2の参考例の一画素構成を示す断面
図、
FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating one pixel configuration of a second reference example of the present invention;

【図7】第2の参考例の等価回路図、FIG. 7 is an equivalent circuit diagram of a second reference example ,

【図8】本発明の第3の参考例の一画素構成を示す断面
図、
FIG. 8 is a sectional view showing one pixel configuration of a third reference example of the present invention;

【図9】本発明の第4の参考例の一画素構成を示す断面
図、
FIG. 9 is a cross-sectional view illustrating one pixel configuration of a fourth reference example of the present invention;

【図10】本発明の第5の参考例の要部構成及びポテン
シャル状態を示す図、
FIG. 10 is a diagram showing a main part configuration and a potential state of a fifth reference example of the present invention;

【図11】第5の参考例における垂直CCDのリーク電
流抑圧を説明するための図、
FIG. 11 is a diagram for explaining a leakage current suppression of a vertical CCD in a fifth reference example ;

【図12】第5の参考例の全体構成を示す平面図、FIG. 12 is a plan view showing the overall configuration of a fifth reference example ;

【図13】第5の参考例における駆動パルス例を示す
図、
FIG. 13 is a diagram showing an example of a driving pulse in a fifth reference example ;

【図14】本発明の第6の参考例の要部構成を示す断面
図、
FIG. 14 is a sectional view showing a configuration of a main part of a sixth reference example of the present invention;

【図15】第6の参考例における駆動パルス例を示す
図、
FIG. 15 is a diagram showing an example of a driving pulse in a sixth reference example ;

【図16】第7の参考例に係わる積層型CCDイメージ
センサの例を示す断面図、
FIG. 16 is a sectional view showing an example of a stacked CCD image sensor according to a seventh reference example ;

【図17】第7の参考例に係わる積層型CCDイメージ
センサの他の例を示す断面図、
FIG. 17 is a sectional view showing another example of the stacked CCD image sensor according to the seventh reference example ;

【図18】従来のCCDイメージセンサの単位画素構成
を示す断面図、
FIG. 18 is a cross-sectional view showing a unit pixel configuration of a conventional CCD image sensor.

【図19】従来の増幅型イメージセンサの単位画素構成
を示す断面図、
FIG. 19 is a sectional view showing a unit pixel configuration of a conventional amplification type image sensor.

【図20】図11の素子におけるポテンシャル分布の様
子を示すバンド図、
20 is a band diagram showing a state of a potential distribution in the device of FIG.

【図21】pn接合の電圧−電流特性を示す特性図。FIG. 21 is a characteristic diagram showing voltage-current characteristics of a pn junction.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10…p型半導体基板、11…n型コレクタ層、12…
+ 型ベース層、13…n+ 型エミッタ層、21…Y方
向アドレス回路、22…X方向アドレス回路、23(23
-1〜23-4)…読出しトランジスタ、31(31-1〜31-4)
…アドレス線、32(32-1〜32-4)…信号読出し線、3
3(33-1〜33-4)…出力線。
10 ... p-type semiconductor substrate, 11 ... n-type collector layer, 12 ...
p + -type base layer, 13... n + -type emitter layer, 21... Y-direction address circuit, 22.
-1 to 23-4) ... readout transistor, 31 (31-1 to 31-4)
... Address line, 32 (32-1 to 32-4) ... Signal readout line, 3
3 (33-1 to 33-4) ... output lines.

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】半導体基板上に、X,Y方向に2次元状に
配列された受光蓄積部と、これらの受光蓄積部のX方向
アドレスを選択するX方向アドレス回路と、このX方向
アドレス回路に隣接しX方向に複数個配列された読出し
トランジスタと、これらのトランジスタに接続された信
号読出し線と、前記受光蓄積部のY方向アドレスを選択
するY方向アドレス回路とを設けてなる固体撮像装置で
あって、 前記受光蓄積部は、前記基板の表面部に設けられた基板
と逆導電型のコレクタ層と、このコレクタ層の内側表面
部に設けられた基板と同導電型のベース層と、このベー
ス層の内側表面部に設けられた基板と逆導電型のエミッ
タ層とからなるフォトトランジスタであり、該受光蓄積
部におけるベース層とコレクタ層との間に印加する逆バ
イアス電圧を、受光蓄積期間において0.6V以下に設
定してなり、 前記X方向アドレス回路は、前記読出しトランジスタの
ゲートに接続され、読出しトランジスタのソースとドレ
インはそれぞれフォトトランジスタのエミッタ層と前記
信号読出し線に接続され、 前記Y方向アドレス回路は、フォトトランジスタのコレ
クタ層に接続されていることを特徴とする固体撮像装
置。
1. A light receiving and accumulating portion arranged two-dimensionally in a X and Y directions on a semiconductor substrate, an X direction address circuit for selecting an X direction address of the light receiving and accumulating portion, and the X direction address circuit. Solid-state imaging device, comprising: a plurality of read transistors arranged in the X direction, adjacent to the transistors; a signal read line connected to these transistors; and a Y-direction address circuit for selecting a Y-direction address of the light receiving / accumulating portion. Wherein the light receiving and accumulating portion is a collector layer of the opposite conductivity type to the substrate provided on the surface portion of the substrate, and a base layer of the same conductivity type as the substrate provided on the inner surface portion of the collector layer. a phototransistor comprising a substrate and the opposite conductivity type emitter layer provided on the inside surface of the base layer, the light receiving storage
Reverse bar applied between the base layer and the collector layer
The bias voltage is set to 0.6 V or less during the light receiving accumulation period.
The X-direction address circuit is connected to the gate of the read transistor, the source and drain of the read transistor are connected to the emitter layer of a phototransistor and the signal read line, respectively, and the Y-direction address circuit is A solid-state imaging device connected to a collector layer of a phototransistor.
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